蘇春利， 紀倩楠， 陶彥臻， 謝先軍， 潘洪捷

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院，湖北武漢 430074；2.國家環(huán)境保護水污染溯源與管控重點實驗室，湖北武漢 430074；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

土壤鹽漬化作為一個普遍存在的環(huán)境問題，是引起土地生產(chǎn)力下降、農(nóng)田退化和耕地流失，導(dǎo)致全球糧食短缺危機的重要因素［1-4］。據(jù)估計，到2050年，全球50%以上的耕地可能發(fā)生鹽堿化，其中大部分分布在干旱半干旱地區(qū)［5-8］。河套灌區(qū)是我國干旱半干旱地區(qū)的典型代表，也是內(nèi)蒙古自治區(qū)乃至全國重要的商品糧、油、糖生產(chǎn)基地。但是由于降雨稀少，蒸發(fā)強烈，土壤母質(zhì)含鹽及地下水TDS含量高，導(dǎo)致灌區(qū)土壤次生鹽漬化危害尤為突出［9-10］，嚴重影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展。

表層土壤的鹽分狀況及其鹽漬化程度是旱季條件下表層土壤鹽分累積、遷移運動的最終反映［11］，也是土壤系統(tǒng)與水流之間的重要界面，包含大量的鹽離子螯合和水運動信息［12］。在天然條件下，地下水位和地下水TDS 被認為是水平地形土壤鹽漬化的關(guān)鍵決定因素［13-14］。地下水是鹽的運移、積累和排泄的主要地質(zhì)動因。而土壤次生鹽漬化，則是由于人類活動（如灌溉）的額外水分輸入引起土壤剖面中鹽分遷移積累的結(jié)果［15］。通過對河套灌區(qū)西部土壤鹽漬化現(xiàn)狀調(diào)查，查明了研究區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化程度、成因類型及其分布特征，討論了影響土壤鹽漬化的主要控制因素，構(gòu)建了河套地區(qū)土壤鹽漬化成因模型，為干旱-半干旱地區(qū)土壤鹽漬化防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市中部，居河套平原腹地，地處40°33′16″～41°16′31″N，107°06′13″～107°43′40″E，坐落在黃河“幾”字形彎曲上方，涵蓋河套灌區(qū)三排干、黃濟渠、四排干和永濟渠周邊地帶，南與鄂爾多斯高原隔河相望，北靠陰山，總面積約2212 km2（圖1）。河套灌區(qū)地屬大陸性干旱、半干旱氣候帶，降水稀少，蒸發(fā)強烈，冬季嚴寒，夏季炎熱，春季干燥多風，日溫差大，多年平均降水量100～400 mm，年蒸發(fā)量2000～2400 mm。巴彥淖爾市現(xiàn)有耕地715200 hm2，其中約322667 hm2耕地不同程度鹽漬化，占耕地總面積的45.1%?，F(xiàn)有輕中度鹽堿地以種植向日葵等耐鹽堿經(jīng)濟作物為主，重度鹽堿地僅能生長稀疏堿草，無任何經(jīng)濟效益。

圖1 研究區(qū)位置和水系分布Fig.1 Location map and hydrographic net of the study area

研究區(qū)海拔1021～1046 m，地勢西南高、東北低，坡降從0.0125%到0.025%，從而導(dǎo)致地表徑流不暢，地下徑流滯緩。黃河從灌區(qū)南緣通過，處于灌區(qū)地勢較高的位置，地下水流向與地面坡降基本一致。灌區(qū)長期大量引入黃河水灌溉，受黃河水補給的影響，部分低洼的地段地下水位埋深淺、蒸發(fā)作用強烈、土壤積鹽量高［16］。研究區(qū)土壤質(zhì)地為壤質(zhì)到黏壤質(zhì)，毛細管發(fā)達［17］，由于氣候干旱，蒸發(fā)強烈，水鹽通過毛細作用向地表遷移，導(dǎo)致灌區(qū)土壤鹽漬化問題突出。

2 樣品采集與測試

為了查明研究區(qū)土壤鹽漬化主要類型及成因，于2018 年9 月在研究區(qū)均勻采集130 組表層（0～20 cm耕作層）土壤樣品和105件地下水樣品。土壤鹽分采樣點包括荒地和耕地，同時考慮覆蓋不同程度鹽漬化的地塊，采樣點位置見圖2。土壤樣品由5點取樣混合，并用四分法留取樣品，采樣時記錄土樣狀態(tài)、巖性、采樣點坐標、周邊環(huán)境條件，樣品保存應(yīng)防止交叉污染。

圖2 研究區(qū)地下水和土壤采樣點分布Fig.2 Sampling sites of soil and groundwater in the study area

所有采集的土樣風干，研磨，過2 mm篩后備用，然后以1：5 的土水比浸提抽濾后進行土壤鹽分測定。其中，土壤pH 采用HACH HQ·40-d 便攜式多功能參數(shù)儀測定，全鹽量采用電導(dǎo)法和重量法相結(jié)合的測定方法。對采集的地下水現(xiàn)場測定水溫、pH、ORP、EC 以及堿度。水溫、pH、ORP、EC 通過已校正好的HACH HQ·40-d 便攜式多功能參數(shù)儀測定，用滴定法測定堿度。用0.45 μm 混合纖維脂微孔水系濾膜過濾水樣，用于主要陰、陽離子分析。其中，用于陽離子分析的水樣用優(yōu)級純濃硝酸酸化至pH＜2。Cl-、SO24-、NO-3等陰離子采用瑞士萬通761Compact IC進行測定，Ca2+、Mg2+、Na+、K+等陽離子采用ICP-OES測定。以上樣品的分析均在中國地質(zhì)大學（武漢）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室和環(huán)境學院實驗中心完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤鹽漬化程度和類型

研究區(qū)土壤浸提液的pH、EC 以及含鹽量分析結(jié)果（表1）顯示，土壤樣品的pH 變化范圍為6.61～10.67，90%以上的土樣pH 大于8.00（圖3a），表明研究區(qū)表層土壤堿性較大。研究區(qū)土壤鹽漬化程度變化較大，含鹽量在0.02%～4.27%。根據(jù)土壤鹽化狀況劃分等級（表2），50%以上的土壤發(fā)生了鹽漬化（圖3b）。其中，輕度鹽漬化土壤占比21.7%，中度鹽漬化土壤占比8.53%，重度鹽漬化土壤占比10.08%，鹽土或堿土占比12.4%。

表1 土壤浸提液pH、EC和含鹽量統(tǒng)計Tab.1 Statistics of pH,EC and salt content of soil extract

表2 土壤鹽漬化分級標準Tab.2 Classification standard of soil salinization

圖3 土壤樣品pH（a）和全鹽量（b）頻率Fig.3 Frequency histogram of pH(a)and total salt content(b)of soil samples in study area

為進一步確定研究區(qū)鹽漬化土壤類型，選取具有代表性的26 件土壤樣品進行了主要陰陽離子分析。結(jié)果顯示，研究區(qū)各陰離子在表層土壤中的平均含量為：SO24-＞Cl-＞HCO-3，各陽離子在表層土壤中的平均含量為：Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+（表3）。其中NO-3離子百分比較大，說明除了農(nóng)業(yè)灌溉之外，化肥施用影響也較大。土壤鈉吸附比SAR 平均值為3.13，說明土壤堿化程度較低?？扇苄遭c百分比（SSP）和鈉鈣鎂比（SDR）均值分別為56.28%和11.86，說明土壤中的陽離子以Na+為優(yōu)勢離子，且土壤的鈉質(zhì)化程度較高。

表3 研究區(qū)表層土壤鹽分含量及組成Tab.3 Salt content and composition of in the study area

根據(jù)中國土壤科學學會土壤鹽漬化等級標準［17］，按總鹽濃度分為無鹽土、微鹽土、中鹽土、強鹽土和鹽土（表2）。根據(jù)Cl-/SO24-的等效比，鹽土類型包括氯化物、硫酸鹽-氯化物、氯化物-硫酸鹽和硫酸鹽型。研究區(qū)土壤Cl-/SO24-平均比值為0.72，結(jié)合離子組成可知，SO4-Na 和SO4·Cl-Na 是研究區(qū)主要的鹽分類型［18］。

3.2 土壤鹽分空間分布特征

借助ArcGIS 軟件中的地統(tǒng)計工具對臨河區(qū)表層土壤含鹽量進行插值，繪制了臨河區(qū)土壤含鹽量的空間分布圖。由圖4 可知，重鹽漬土及鹽土主要分布在總干渠和黃濟渠兩側(cè)地形較低的地區(qū)，洼地積鹽較重，坡地積鹽較輕，呈“大處在洼、小處在高”的斑狀分布，與劉梅等［19］對杭錦后旗鹽堿地現(xiàn)狀研究結(jié)果一致。從整體情況來看，研究區(qū)北部及東南部土壤鹽漬化較重，蠻會鎮(zhèn)、白腦包鎮(zhèn)北部、杭錦后旗東南部和雙河鎮(zhèn)是鹽土及重鹽化土的主要分布區(qū)；而四排干渠上游兩側(cè)、八一鄉(xiāng)與八岱鄉(xiāng)北部、南渠鄉(xiāng)和干召廟鎮(zhèn)附近的土壤含鹽量在0.3%以下，土壤鹽漬化程度較輕。

圖4 研究區(qū)土壤含鹽量分布Fig.4 Distribution of soil salt content in the study area

3.3 土壤鹽漬化的影響因素

區(qū)域土壤鹽漬化的主要影響因素包括地下水位、地下水含鹽量、灌溉方式和潛水蒸發(fā)等。除此之外，其他次要因素，如植物蒸騰作用、水循環(huán)強度、水-巖相互作用以及灌溉水入滲導(dǎo)致的非飽和帶鹽分溶解［3］也可對土壤鹽漬化產(chǎn)生影響。

3.3.1 地下水位及地下水含鹽量 研究區(qū)地下水位埋深普遍較淺（圖5a），變化范圍為0.65～6.21 m，平均水位埋深為4.65 m，平原內(nèi)64.9%采樣點的地下水位埋深小于3 m。水位埋深超過5 m 的地下水樣占23.4%，且主要分布在狼山山前地帶，大多在10～20 m。地下水作為鹽分運移的主要載體，土壤鹽分受地下水位影響顯著。當?shù)叵滤恍∮谂R界深度（指不引起土壤嚴重積鹽、且不危害作物生長的最小地下水埋深時）時，地下水中的鹽分會隨毛細水不斷向上遷移到耕作層和地表。據(jù)報道，河套灌區(qū)一般砂性土地下水臨界深度為3 m 左右，黏性土為5 m左右［20］。對比圖3與圖5a，中度至重度土壤鹽漬化地區(qū)對應(yīng)的地下水埋深較淺，水位埋深普遍小于5 m。區(qū)域干旱-半干旱氣候條件下，強烈的蒸發(fā)作用使得土壤鹽分隨地下水蒸發(fā)而向上遷移，蒸發(fā)后鹽分留在土壤中，造成土壤鹽漬化。

采集的105件地下水樣的TDS含量分析結(jié)果顯示，80%地下水為微咸水（1～24 g·L-1），20%為淡水（＜1 g·L-1）。地下水TDS平均值為2.13 g·L-1，屬于微咸水。電導(dǎo)率變化范圍在0.69～10.89 mS·cm-1，平均值為2.94 mS·cm-1。pH 變化范圍為7.23～8.45，平均值為7.75，呈弱堿性。TDS＜1 g·L-1的水樣主要為Cl·HCO3-Na 型、Cl·SO4·HCO3-Na·Ca·Mg 型以及Cl·HCO3-Na·Mg 型水；1 g·L-1≤TDS≤4 g·L-1的水樣主要為Cl·HCO3-Na 型水；TDS＞4 g·L-1的水樣主要為Cl-Na 型水。對比圖3 與圖5b，高TDS 地下水主要分布在蠻會鎮(zhèn)、雙河鎮(zhèn)等地區(qū)，與鹽土及重鹽化土的主要分布區(qū)基本一致。

圖5 河套平原西部地下水位埋深（a）和地下水TDS（b）空間分布Fig.5 Buried depth of groundwater level(a)and groundwater TDS(b)in western Hetao Plain

研究區(qū)淺層地下水位埋深與TDS 之間的關(guān)系（圖6）表明，TDS 含量大于1.0 mg·L-1的地下水采樣點，其地下水位埋深普遍小于3 m，證明蒸發(fā)作用對地下水TDS 具有顯著影響。部分地區(qū)地下水位埋深較大的地下水TDS 含量也較高，可能是與淺層地下水之間存在水力聯(lián)系，發(fā)生越流補給造成的。以土壤表層鹽分含量為參考序列，對地下水位和TDS與土壤表層鹽分含量進行灰色關(guān)聯(lián)分析表明，兩者與表層土壤鹽分含量灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.85 和為0.88，指示了地下水位和TDS 對土壤鹽漬化的重要影響。

圖6 研究區(qū)地下水位埋深與TDS含量的關(guān)系Fig.6 Relationship between buried depth of groundwater level and groundwater TDS in the study area

3.3.2 農(nóng)業(yè)灌溉和蒸發(fā) 灌溉對土壤鹽漬化的影響有兩面性。一方面，在灌溉過程中，表層土壤累積的鹽分會隨灌溉水進到深層土壤或含水層［21］；另一方面，大規(guī)模地表漫灌會抬高地下水位，導(dǎo)致更多的潛水蒸發(fā)和鹽分向上運動［22］。河套灌區(qū)長期采用大水漫灌方式，以引黃河水灌溉為主，每年灌水7次，包括6 次作物生育期灌水和1 次壓鹽保墑為目的的秋澆。據(jù)報道，河套灌區(qū)年引水量50×108m3，近年來由于指令性節(jié)水及水利和灌溉設(shè)施的興建，引水量減少20%以上，年引水量約40×108m3［23］。大量灌溉回水入滲水使地下水位逐年抬高，但由于側(cè)向徑流不暢，導(dǎo)致地下水排泄緩慢，排水不充分。

研究區(qū)域位于半干旱地區(qū)，年平均蒸發(fā)量高達2000～2400 mm。在強烈蒸發(fā)作用下，地下水和地下非飽和帶中的鹽分會向上運移，水走鹽留，鹽分在土壤表層積累，逐漸引起次生鹽漬化。河套灌區(qū)年引入灌區(qū)鹽量約2.80×106t，排出8.0×105～1.30×106t［14］，每年積鹽達1.20×106～1.50×106t［23］。潛水蒸發(fā)是加速土壤次生鹽漬化的自然力，在強烈蒸發(fā)作用下，不僅地下水TDS 含量升高，淺埋的地下水位也促使地下水中的鹽分不斷向表土的運移，誘發(fā)土壤次生鹽漬化［24］。筆者所在團隊前期對淺層地下水水化學和氫氧同位素分析［25］發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)地下水樣氫氧同位素線性擬合蒸發(fā)線斜率為4.8（δD=4.8δ18O-28.2），小于當?shù)卮髿饨邓€（包頭氣象站數(shù)據(jù)，LMWL：δD=6.4δ18O-4.07［25］）斜率，說明區(qū)域內(nèi)地下水受蒸發(fā)濃縮作用影響較大。區(qū)內(nèi)地勢低洼且水位埋深較淺地區(qū)，淺層地下水不斷向匯集，并通過蒸發(fā)作用排泄，導(dǎo)致局部地區(qū)地下水不斷濃縮，形成極高TDS含量的地下水。通過建立K+、δ18O 和TDS關(guān)系對探討作物水分汲取對于區(qū)域地下水的影響表明，植物汲取的水分通過蒸騰作用進入大氣，這也是農(nóng)耕區(qū)域淺層地下水排泄的一個重要途徑［25］。

3.4 土壤鹽漬化成因機理

河套平原是以黃河水為主要灌溉水源的農(nóng)業(yè)區(qū)，在引黃灌溉過程中，大量灌溉回水入滲，且每年冬季大規(guī)模灌水壓鹽。一方面淋溶非飽和帶鹽分進入地下水，增加了灌區(qū)地下水的含鹽量；另一方面提高了區(qū)域地下水位，增大了水力梯度，從而加劇了地下水循環(huán)。土壤鹽漬化成因概念模型如圖7所示。自然因素方面，研究區(qū)溫差大，降水稀少，蒸發(fā)作用強烈，加之區(qū)內(nèi)潛水埋深普遍小于5 m（圖5），形成了巨大的蒸發(fā)場。長年累月的強烈蒸發(fā)作用使得深層土壤和淺層地下水中的鹽分隨毛細作用上升積聚于土壤表層，導(dǎo)致土壤鹽漬化。人為因素方面，研究區(qū)長期采用大量地表漫灌進行農(nóng)作物灌溉和冬季壓鹽，淋濾和補給共同作用下，灌區(qū)地下水含鹽量和水位逐漸升高。尤其是黃河河岸帶，地下水頭較高，向北徑流進入沖積平原過程中，可進一步促進地下水系統(tǒng)中的水-巖相互作用程度，從而使得平原前緣地帶地下水的鹽度提高。另外，由于狼山山前側(cè)向補給和總排干水的滲入，山前沖積扇上部地下水位也隨之升高，向南部平原區(qū)徑流。因此，從地質(zhì)構(gòu)造和氣候特征，決定了灌區(qū)內(nèi)的水循環(huán)過程為灌溉（降雨）-下滲-潛水蒸發(fā)型。在強烈的潛水蒸發(fā)和植物蒸騰（蒸散）作用下，隨著灌區(qū)地下水位的逐漸升高，地下水中的鹽分向地表遷移，在地表集聚，發(fā)生土壤次生鹽漬化。

圖7 土壤鹽漬化成因概念模型Fig.7 Conceptual model of soil salinization in the Hetao Irrigation Area

綜上所述，TDS含量大于1 mg·L-1的地下水樣，其地下水位埋深普遍小于3 m（圖5）。作物生育期內(nèi)潛水埋深為1.0～1.5 m，秋澆期埋深近0.5 m，潛水蒸發(fā)嚴重，鹽分表聚現(xiàn)象明顯［14,26］。在總排干渠附近，地下水位相對埋深較大，地下水TDS 含量和土壤鹽漬化程度仍較高。這是由于排干水含鹽量高，下滲后蒸發(fā)返鹽造成?？傮w而言，河套灌區(qū)土壤鹽漬化具有天然和人為雙重因素，冬季灌溉洗鹽和灌溉回水淋溶，在一定時期一定程度上可以緩解鹽漬化。但是，長期引水灌溉和強烈的蒸發(fā)作用，使得次生鹽漬化逐年嚴重。采取有效措施將地下水埋深降低，控制在1.8～2.2 m，既有利于作物生長，又能一定程度緩解土壤次生鹽漬化加重［25］。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)土壤鹽漬化程度變化較大，土壤含鹽量在0.02%～4.27%之間，主要的鹽分類型為SO4-Na 和SO4·Cl-Na。輕度鹽漬化土壤占比21.7%，中度鹽漬化土壤占比8.53%，重度鹽漬化土壤占比10.08%，鹽土或堿土占比12.4%。

（2）重鹽漬土及鹽土主要分布在總干渠和黃濟渠兩側(cè)地形較低的地區(qū)及其中下游地帶，洼地積鹽較重，坡地積鹽較輕，呈“大處在洼、小處在高”的斑狀分布。研究區(qū)北部及東南部土壤鹽漬化較重，蠻會鎮(zhèn)、百腦包鎮(zhèn)北部、杭錦后旗東南部和雙河鎮(zhèn)是鹽土及重鹽化土的主要分布區(qū)。

（3）研究區(qū)淺層地下水TDS平均值為2.13 g·L-1，屬于微咸水，呈弱堿性，主要水化學類型為Cl·HCO3-Na 和Cl-Na 型。平均水位埋深為4.65 m，65%調(diào)查點埋深小于3 m。

（4）長期漫灌和洗鹽引起的地下水位抬升和強烈蒸發(fā)濃縮是形高TDS 地下水的直接原因，而高鹽地下水、地下水位埋深淺和強烈的潛水蒸發(fā)是影響沖積平原土壤鹽漬化的主要因素。大量灌溉回水入滲，淋溶非飽和帶鹽分進入地下水，不僅增加了灌區(qū)地下水的含鹽量，而且提高了地下水位，增大了水力梯度，加劇了地下水循環(huán)。河岸帶高鹽地下水向北進入沖積平原，不僅提高了前緣地帶的地下水鹽度，而且促進含水層中的水巖相互作用。狼山山前大量側(cè)向補給和灌溉水的滲入導(dǎo)致沖積平原地下水位進一步升高，在強烈的地下水蒸發(fā)和植物蒸騰（蒸散）作用下，土壤發(fā)生次生鹽漬化。